電動汽車（EV）雙向供電：實用且創新的電源模組使用機會

作者：Matt Jenks，汽車銷售和現場應用工程總監

眾所周知，汽車電氣化競爭已經拉開序幕，無論是因為政府法規和獎勵措施的刺激，還是受消費者對效能更高、續航更遠且功能更多的綠色交通解決方案的需求推動。 各大汽車製造商都正積極參與這一競爭。 隨著通用等汽車品牌公開聲明，到 2035 年，通用生產的所有汽車都將實現零排放，汽車製造商似乎正積極回應汽車的電氣化。

雙向電源轉換為所有電源系統設計師創造了一個獨特的創新機會。這一概念與圍繞電氣化的密集研發工作相結合，帶來了實用且創新的應用場景。

快速充電基礎設施是個問題。最初的電動汽車平臺設計採用 400V 電池，由 400V 充電基礎設施和 400V 輔助系統提供支援。然而，早在第一批 400V 電動汽車推出之前，行業就已開始開發 800V 平臺，有效地將整個電動汽車市場分成了兩類電壓。

業內人士預測，2027 年到 2030 年間推出的大多數電動汽車將採用 800V 電池架構。然而根據以往的經驗，Vicor 認為這一過渡將比預期要慢，因此我們將在可預見的未來繼續支持 400V 電池設計。

雙向供電模組讓設計更自由

過去，電源系統設計師採用從左到右，即從電源到負載點的方法來設計供電網路（PDN）。這是設計師遵循了幾十年的傳統做法。本質上，我們一直是“右撇子”。想像一個我們可以左右開弓的世界將會如何，雙手並用，從左到右或從右到左都可以。

目前，供設計師使用的模組化電源組件有兩大關鍵内容：

• 它們是有效且高效的“DC 變壓器”——也就是說，它們提供固定比率的 DC-DC 轉換比
• 它們本身支持雙向供電

要發掘雙向供電網路的潜力，重要的一點是要探索覈心使能技術，瞭解正弦振幅轉換器（SAC）的工作原理。告別從左到右的思維模式，讓我們從中間開始；這裡有一個變壓器和一個串聯電容，與變壓器的漏電感保持諧振。

一側有一個開關橋（switching bridge），通常會被視為一個斬波 DC 母線的直流輸入，而另一側的佈局基本相同，可以被稱為同步整流器。 只要這兩條路徑與中心“儲能器”的諧振波形同步切換，整個器件就是對稱的，作用就像 DC 變壓器。

電壓根據磁性元件的匝數比升高，而電流降低——反之亦然。

一個端口上的阻抗變化會反映在另一個端口，電流會相應地流動。諧振、零電壓和零電流切換確保了低損耗。諧振回路中儲存的能量最少，通過轉換器產生良好的瞬態回應，而 MHz 切換使所需的電感和電容又小又輕。

400V 和 800V 電動汽車如何共存？

鑒於 400V 和 800V 電動汽車可能會在一段時間內共存，行業必須有效化解以下挑戰：實現兩種架構的混合，確保足够的互操作性，同時避免給消費者帶來困惑，造成潜在買家排斥電動汽車。

那麼，我們接下來該怎麼做？

要確保 400V 和 800V 系統之間的互操作性，或者反過來說，要確保 800V 和 400V 電池架構之間的互操作性，要求行業支持所有充電介面，以確保駕駛員的汽車能相容任何充電站。同時，我們需要找到重新利用原有的 400V 電池的新方法，即使我們提高了 400/800V 系統的效率，擴展並增强了“車對車”（V2V）和“車對其他”（V2X）的充電能力。 這兩種電壓的混用可能很複雜。將 400V 的電池連接到 800V 的充電器時需要升壓；將 800V 的電池連接到 400V 的輔助系統時需要降壓，而不同的 V2V 和 V2X 應用可能需要升壓和降壓轉換及穩壓的組合。

Vicor 認為，這些電源系統需要高壓雙向電壓轉換，從 400V 轉換到 800V，或從 800V 轉換到 400V。 電動汽車充電站是一個很好的例子，可以清楚地說明這一點。美國的絕大多數充電基礎設施都是 400V，這意味著行業需要通過陞級或安裝 800V 充電設施來完善充電站——這將需要大量投資。 安裝一個車載雙向轉換器，就可以輕鬆解决這個充電問題。插入充電插頭後，系統會自動檢測電源需要降壓還是升壓，以實現無縫充電。

V2X 及其它領域的雙向供電創新

今天，“車對電網”（V2G）和“車對家”（V2H）等新概念日漸普及。大多數情况下需要不同程度的調節，但配電網（PDN）並不是非常複雜。在V2G場景下，雙向供電的好處是多方面的。V2G 為提高電網穩定性和彈性鋪平了道路。電動汽車可以連接到電網，用作移動儲能單元。在能量需求高峰或意外停機期間，這些車輛可以反過來向電網供電，起到緩衝作用，減輕傳統電源的壓力。

這樣就可以確保不間斷電力供應，减少對輔助電站的需求（這些電站通常在需求高峰時段投入運行），從而大幅節約成本。此外，允許電動汽車車主將多餘的電力賣回給電網，催生了一種新的經濟模式。電動汽車車主可以將儲存的能量變現，抵銷部分購車用車成本，並推動電動汽車的進一步普及。

再看看 V2H 應用，雙向供電預示著實現家庭能源獨立和安全的一種新模式。隨著極端天氣條件和停電頻率的新增，擁有一輛支持 V2H 功能的電動汽車，可以成為一條生命線。在這種情況下，家庭可以從電動汽車中獲取電力供應，確保供暖或製冷等基本系統的正常運行。這樣，電動汽車就成了一種備用電源，可以减少家庭對中央電網或通常使用化石燃料的獨立發電機的依賴。 除了緊急情况之外，在日常生活中，V2H 允許業主在高峰時段從電動汽車電池中取電，然後在低谷時段再為汽車充電，進而優化電力成本，實現成本節約。

另一個用例是“車對負載”（V2L），可以帶來更多可能性。V2L 進一步展示了雙向供電的多用途。在這種情況下，電動汽車成了一種能够為外部設備、電器或系統供電的可擕式電源。這在很難使用傳統電源的偏遠地區特別有用。想像一下，在一個僻靜的地方搭建一個露營地，並使用電動汽車來為照明和烹飪設備供電，該有多好。 商家和活動組織者也可以利用 V2L 來為他們的設備現場供電，擺脫固定電源的限制，再也不必拖運笨重的發電機。V2L 的潜在應用非常廣泛：從娛樂到商業無所不包。

雙向供電開啟了多種可能性。解决 400/800V 充電難題，是當今的重中之重。但是，其它概念不僅僅代表了技術創新，還是向更加綜合、永續的能源格局邁出的關鍵一步。通過增强電網的彈性，為電動汽車車主帶來經濟效益，確保家庭能源安全，以及實現電力供應的便攜性，雙向供電技術利用電動汽車蘊含的潜力，將它們從單純的交通工具轉變為未來能源基礎設施的關鍵節點。

雙向供電模組帶來新的可能性

雙向供電的巨大潜力正在汽車領域得到發掘。 兩個電源組件系列最有效地利用了雙向供電功能。一是 Vicor 母線轉換器模組，即 BCM，在兩個電壓軌之間提供隔離、固定比例的轉換。另一個是非隔離版本，稱為 NBM，其它方面與 BCM 類似。後者在雙向供電環境中更容易使用，因為它可以使用任一端口的電源“啟動”（建立和穩定諧振開關）。如果需要隔離，使用 BCM®，但這需要少量額外的電路，以提供從“二次側”設備電源啟動它所需的偏置。

參考文獻

New York Times，2021 年10 月 1 日
Frost & Sullivan，2022 年 11 月 28 日

Matthew Jenks 現任 Vicor 公司北美汽車銷售和現場應用工程總監。Matthew 擁有超過 25 年的汽車電子經驗，涉及模組、電源電子元件、定制集成電路和電晶體。他曾在多家一級和二級汽車公司擔任銷售、行銷、工程和現場應用職位，包括英飛淩、意法半導體、國際整流器、偉世通和摩托羅拉等。Matthew 從密歇根州立大學獲得了電氣工程專業學士學位。

Matthew Jenks，汽車銷售總監和現場應用工程總監